注入井引发的地震远超想象

▲上方为注入井施工示意图，蓝色和红色区域分别代表液体注入基底岩石（蓝色）和上覆沉积层（红色）时诱发地震活动的空间印迹。灰色线代表断层网络。下方的图为地震概率与井距的函数关系。

《科学》杂志8月31日出版的论文报道，美国加州大学圣克鲁斯分校（简称UCSC）的研究人员在研究向地下深层注液引发的地震时发现，距离油井6英里左右的单个注入井就能引发地震。此外，他们还发现，向沉积岩中注入液体比向基底岩石中注入液体造成的地震更强，影响距离更远。这一研究结果表明，目前针对水力压裂、废水处理和地热井等的施工建议很可能都需要进一步改进。UCSC地球与行星科学教授艾米丽·布罗斯基（Emily Brodsky）说：“现在的建议是优先向沉积岩中注液，在理论上似乎这是更安全的选择。但我们认为这是有问题的。”

 博士后研究员托马斯·加贝尔（Thomas Goebel）认为，问题的关键是注入井附近诱发地震活动的空间印迹。他说：“并不是说基底岩石就是安全的，因为在基底岩石中仍有可能存在可诱发大地震的断层。但在基底岩石中，由于空间印迹较小，这种可能性更低。”

 在论文中，戈贝尔和布罗斯基描述了两种诱发地震活动的不同模式，它们与作用于基底岩石和沉积岩的不同物理机制有关。第一种模式与注液基底岩石有关，在这种情况下，地震往往发生在注入井周围的密集区域，离注入井较远的地方，地震急剧减少。第二种模式与注液沉积岩有关，虽然注液诱发的地震数目与注液井和油井的距离负相关，但发生地震的距离要远得多。注入井诱发地震的物理机制被认为是岩石孔隙中流体压力增加的直接结果，这会使断层更容易出现滑移。戈贝尔认为，这种机制可以解释向基底岩石注液时所观察到的地震活动的空间模式，但沉积岩的情况则不同（孔隙弹性耦合）。

布罗斯基说：“当工程人员将水注入地层时，它会对周围的岩石产生挤压作用，进而在岩石中产生弹性应力，这可以使水在不进入断层的情况下，就能在一定距离对断层施加压力。因此，如果孔隙弹性占主导地位，地震活动产生的空间印迹更广。” 戈贝尔认为，结晶性基底岩石比沉积岩更坚硬，孔隙率更低。因此，孔隙压力的增加仅限于油井周围孤立的点位，这些点位与整个应力场的耦合程度很低。

戈贝尔说，他们的发现有助于解释俄克拉何马州等地区诱发地震的情况。俄州等地区的油气田中有许多注入点。自2010年以来，俄州发生地震的次数急剧增加——目前该地区每年发生的地震比加州还多。然而，由于俄州的注入井太多，无法分隔单个井的影响，因此戈贝尔等在他们的研究中并没有将俄州的注入点包括在内。戈贝尔说：“在俄克拉荷马州，当地的工程人员选择在基底上方的高孔隙率沉积单元处注液，由此产生的弹性应力可以在很长距离内传递——甚至10公里外的大型基底断层都可能被其激活。”

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编译：雷鑫宇 审稿：阿淼  责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180830143220.htm

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